埋地钢质管道3LPE防腐层剥离检测研究

独创性声明ｌＩＩＩＩＩＩＩＩＩＩＵｌｌＵＩＩｒＩ
Ｙ２４４７８７７
本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。

尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。

与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。

签名：
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（保密的论文在解密后应遵守此规定）
日期：）一．ｆ）年彦月７日
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第１章绪论
第１章绪论
１．１研究意义及背景
目前，管道输送是石油、天然气最经济、最方便、最主要的运输方式之一，被称为国家的生命线，广泛用于城市发展、能源供应、石油化工的基础设施和人民生活的基础条件等领域。

有机涂层和阴极保护联合保护的方法，已成为防止埋地钢质管道上发生腐蚀破坏，确保长输管道的使用寿命和安全运行的主要手段，而涂层作为保护埋地管道免遭外界腐蚀的第一道防线，为埋地钢质管道提供了９９％的保护需求…。

与此同时，管道安全事故却时有发生，带来严重的灾害。

其
之一，它是以熔结环氧粉末（ＦＢＥ）为底层、中间胶粘剂（ＡＤ）和挤出聚乙烯外护层同步缠绕或挤出而成，其中，聚乙烯表层又有几种类型，最常用的有高密度的（ＨＤＰＥ）、中密度的聚乙烯（ＭＤＰＥ）、低密度的聚乙烯（ＬＤＰＥ）或改性聚乙烯（Ｍ．ＰＥ）［３１。

三层ＰＥ（以下称“３ＬＰＥ”）防腐层克服了单一环氧涂层和聚乙烯防腐层的不足，具有良好的附着性能、抗化学腐蚀性能和抗阴极剥离性能、强粘结性能和抗冲击性能，可以称之为非常理想有效的埋地管道的外覆盖层【４Ｊ。

３ＬＰＥ防腐层以其优良的综合性能，已经在全世界范围内，成为管道工程防腐层的首选。

中国自２０世纪９０年代中期开始应用，已有数万公里的管线采用了３ＬＰＥ防腐层，如今已成为新建大型管道工程防腐层的首选【５Ｊ。

根据国家十二五规划，我国集输和长输油气管道将超过１０万公里，维护管道安全任重道远【６Ｊ。

随着油气消费的急速攀升和国家能源结构的调整，我国油气管道建设将再掀高潮，必将带动管道完整性检测事业的持续快速发展。

然而，管道防腐层在服役过程存在防腐层的失效等不稳定因素，对整个管线的安全运营带来不确定的危害影响。

管道防腐层失效模式主要包括失去粘结力（剥离）和破损，相比于破损失效而言，防腐层失去粘结力的检测更具隐蔽性，因而防腐层的剥离可能带来的危害更难预测。

３ＬＰＥ防腐层生产工艺和生产控制相对复杂一些，在进行防腐层涂装时【７】，表面处理质量不好或表面受到的沾污、温度控制不当、压辊不均匀以及在管道填埋施工操作不规范都有可能造成３ＬＰＥ防腐层的剥离。

实践发现，绝大部分埋地钢质管道３ＬＰＥ防腐层剥离都发生在补口处。

而防腐层剥离或阴极剥离导致的直接
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美国俄克拉荷马州ＣＣ技术公司在２００６年公开发表了关于管道防腐层阴极保护屏蔽特性的实验研究成果【４１１，指出传统的防腐层失效后起泡或防腐层裂纹缺陷形成阴极保护电流的传导通道，而聚乙烯防腐层等柔性防腐层材料在无破损情况下不能形成这种传导通道，不允许阴极保护电流传导通过。

加拿大Ｃａｌｇａｒｙ大掣４２】通过缓慢应变测试及电化学声学扫描技术等研究了防腐层剥离后管线钢的应力开裂问题，指出近中性条件下随着电化学极化电位下降，应力腐蚀开裂的危险增大，极化反应溶解产生的氢和二氧化碳的聚集会加快应力腐蚀开裂过程。

国内北京科技大学［４３】提出区分埋地压力管道应力腐蚀是属于阳极溶解型还是氢致开裂型的方法。

１．３．２３ＬＰＥ防腐层剥离专题研究及攻关现状
埋地管道三层ＰＥ防腐层的剥离问题引起了全世界国家的足够重视，各国纷纷投入经费进行防腐层剥离的专项研究和技术攻关，但到目前为止，对于防腐层（包括３ＬＰＥ）剥离的检测依然没有有效方法。

第１７届国际管道防护会议上，法副删【４５１相关单位就防腐层与钢管之间失去附着力过程中发生的“阴极剥离”现象讨论了包括温度、熔结环氧粉末底漆厚度、氧浓度以及采用的阴极电位等许多不同因素对阴极剥离扩展的影响，指出环氧树脂对水的吸收敏感性是造成防腐层不可逆退化变质的主要原因。

传统的低密度聚乙烯（＜Ｏ．９３０９／ｃｍ３）具有较好地挤出熔融粘度，便于成型，但抗机械冲击性能差，具有明显的流体可渗透性和交叉的耐应力开裂性能，在高温（８０℃）情况下使用寿命不长【ｌ５１。

瑞士Ｄｏｗ化学欧洲公司推出了具有高密度聚乙烯（ＰＥ）表层、更强粘结剂树脂３ＬＰＥ防腐层产品ＡＭＰＬＴＦＹＧＲ３２０Ｅ４６｜，在高温下服役具有较优良的性能，克服了高密度聚乙烯层融熔指数低挤出难度大的缺陷。

美国运输部发起研究项目【４７１（王向龙译）中，管道专家团队研究认为三层结构防腐层主要存在剥离与面层开裂两大问题。

研究认为防腐层的剥离是由内在的残余应力造成的（图１．１２）：防腐层系统内部容易产生较高的残余热应力（主要是管端补口预留电焊产生）过于集中引发防腐层的剥离，另外ＰＥ层的干膜厚度越厚，应力集中越严重，局部残余应力超过了因为水渗透而降低的防腐层剩余粘结强度时，就发生防腐层剥离。

第２章防腐层剥离原因解析及评价模型研究
第２章防腐层剥离原因解析及评价模型研究
２．１３ＬＰＥ防腐层剥离定义
目前，针对３ＬＰＥ防腐层的剥离展开了广泛讨论，主要集中在防腐层预制过程、服役过程阴极剥离等情况，但未明确防腐层（包括３ＬＰＥ防腐层）的剥离定义。

结合工程中反映较多的情况，将３ＬＰＥ剥离分成四种剥离类型：（１）防腐层较大面积破损甚至脱落，剥离区域钢管表面直接暴露在环境中；
（２）防腐层环氧底层与钢管失去附着力（包括本体３ＬＰＥ底漆与管道失去附着力或补口底漆与管道失去附着力）：
（３）补口搭接处防腐层（热收缩套）与本体３ＬＰＥ间失去附着力（密封失效）；…
（４）防腐层三层材料之间由于组分不同而分层。

类型（１）是较典型的剥离现象，开挖后能直接观察。

类型（２）中，管道防腐层表观完好，但经过附着力试验时发现防腐层很容易从管道上撕扯下来，３ＬＰＥ底漆与管道表面完全剥离。

类型（３）是最常见的剥离现象：工程实践中发现的３ＬＰＥ剥离问题，绝大部分都是补口问题，补口处的质量成为整条管道防腐层最为薄弱的环节，通常表现为补口搭接处胶粘剂（以热收缩带／套补口为例）与管道预制防腐层中聚乙烯层失去附着力，造成密封失效【５２｜。

类型（４）是针对三层结构而提出来的，三层结构中因材料组份不同发生分层［５３１，表层聚乙烯与胶粘剂间分层或胶粘剂与环氧底层失去粘性。

工程检测中层间剥离的情况并不多见，更多的是环氧底层与管道表面发生剥离。

２．２管道防腐层剥离解析
剥离概念比较抽象，通常的研究通常只关注了剥离后的现象或影响结果而缺乏对剥离过程的解析。

本节从力学角度解析防腐层的剥离动态过程，分析防腐层剥离过程。

无论是哪种类型，防腐层的剥离都是由某种力学因素导致的，这种力源包括外界机械作用、内部残余内应力或者化学腐蚀过程中产生的力因素。

２．２．１防腐层剥离过程模型
防腐层由于涂覆应力或者后期服役受到力学冲击，内部存在残余应力。

分析局部防腐层发生剥离过程中的力学模型有利于理解造成防腐层发生剥离的力学原因（机理）。

将防腐层发生剥离（应力原因造成的）的过程分为局部脱粘、脱粘
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在热辐射作用下，粘结界面受热温度升高ＡＴ，剥离前的防腐层下表面与基材上表面任意点沿Ｘ方向位移可表示成【５７１
姒垆％△Ａ一万１腓腊坳∽｛ｒ蔫沼６，
姒加％△戤＋酉１腓赋却∽｛ｒ蔫沼７，式中纪ｃ一一防腐层下表面任一点沿着ｘ方向上的位移，防腐层屈服系数吃２警。

Ｖ。

——防腐层的泊松比；
彰——防腐层的弹性模量；
扰ｓ一基材表面任意点沿ｘ方向的位移亿＝焉半；
ＶＪ——基材泊松比；
Ｆ——基材当量弹性模型；
△丁——温度差
根据基材和防腐层在Ｘ方向上位移相等可得
如胪ｃ去＋去，腓腊＋半ｒ蔫＝△必Ａ像８，将式子（２．４）和（２．５）代入（２．８），有
丁（ｘ）后一Ｋ２ｒ丁（孝）ｄ善＝］Ａａ＿ＡＴｘ（２－９）式中△倪＝％一Ｏｒｃ；
趾侩
尼＝尼。

＋尼．
第２章防腐层剥离原因解析及评价模型研究
发生剥离的过程。

模型以热学为例做推算，结果中不同点的各应力与所处位置、杨氏模量以及膜厚存在相关性。

２．３防腐层（包括３ＬＰＥ）剥离原因解析
造成埋地钢质管道３ＬＰＥ防腐层剥离的原因具有多样性‘５９】［６０］［６１】［６２１，防腐层从工厂预制到最后服役多年后各个环节都可能造成防腐层剥离缺陷的发生。

通过对工程上反馈的信息，一般来说可以归结为四种剥离模型（剥离事件实现路径）：（１）涂覆——缺陷——剥离；
（２）运行——溶液渗透（腐蚀）——剥离；
（３）运行——应力——剥离；
（４）运行——老化——剥离。

模型（１）涂覆——缺陷——剥离（包括补口缺陷）视为施工质量控制不合格引起，包括防腐层预制质量控制、补口质量控制及补Ｅｌ技术选择等。

模型（２）运行——溶液渗透（腐蚀）——剥离，埋地环境中各种腐蚀性溶液缓慢透过防腐层接触钢材基底削弱防腐层（包括３ＬＰＥ）附着力，另外溶液与基材可能发生的电化学腐蚀进一步破坏防腐层底漆与基材间的粘结力。

当管道防腐层本身存在破损缺陷，在电流（阴保电流以及杂散电流）的作用下，剥离作用更加明显。

模型（３）运行——应力——剥离，包括有土壤应力、温度应力、第三方破坏等对防腐层（包括３ＬＰＥ）剥离影响。

主要有土壤类型差异导致吸水性、土壤膨胀性的差别对管道压力，土壤附近构筑物上层土壤受载甚至附近地质结构变动对管道的压力，管道埋地或架空环境特殊性如季节性环境温差、昼夜温差、特殊管道热源等带来的热应力影响等。

模型（４）运行——老化——剥离，分析水解（水网、沙漠、盐碱地）、土壤中腐蚀性物质与有机防腐层之间反应、微生物老化、热老化甚至应力老化作用。

通过图解的方式，可参照如下逻辑图进行分类（见下页）：
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（２）运行一渗透一剥离厂①钢管表面ｌ
粗糙度、ｌ②涂覆温度防腐层预制质量弋③特殊管端Ｉ④配料比例ｌ⑤车间污染
０
ｒ
ｌ①补口技术选补口质量差控制Ｊ②焊缝影响
ｌ⑧现场环境（Ｌ④补口施工人预处理（除磷化铬化）、时间控制
（局部大变不对
择
风沙等污染员工作马虎
除锈
）涂覆
埋地环境中溶液（包括水分、酸碱盐等）通过渗透作用缓慢
透过防腐层微孔进入基底引发剥离
防腐层出现漏点，溶液直接进入基底发生剥离在电流的作用下，溶液与基底加快电化学腐蚀发生剥离（阴
极剥离、交流干扰电流加速剥离）
…
ｒ①敷设环境含水量
水解老化．｛
包括酸碱等）Ｉ②酸碱性、其他腐蚀性化学物质性物质老化
热老化（温度）：①环境温度长期较高（如热带、附近有
源等）、②涂覆（包括补口）时高温
微生物老化：各种腐蚀细菌
植物根系老化
空气氧化、紫外线老化（主要是在堆放阶段）
土壤应力：①土壤类型（粘土、壤土、砂土、砾石土）、
②埋地土壤附近受载情况（公路车辆碾压）、
③土壤膨胀引起土壤应力（膨胀土影响）热应力（结合热膨胀原理）：①四季温度变化、②昼
夜温度变化、③涂覆温度与运行温差（包括补口）
④高温时热应力以及低温时应力集中
第三方破坏：①人为破坏、②埋地施工磕碰、③附近施工地质结构变动：①塌陷、②泥石流、③地震、④滑坡等
影响
图２．４管道防腐层剥离模型（原因）图解
Ｆｉｇ．２－４Ｉｎｔｅｒｐｒｅｔａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｄｉｓｂｏｎｄｉｎｇｒｅａｓｏｎｓｏｆｐｉｐｅｃｏａｔｉｎｇ
图２．４分类展示了导致３ＬＰＥ防腐层剥离的几乎全部可能性。

实践中，造成３ＬＰＥ防腐层发生剥离事件大多数是发生在涂覆以及储存、运输、埋地施工阶段，而在埋地环境下服役阶段发生剥离事件比较少。

但是，由于在埋地之前的剥离缺陷容易检查出来，而埋地环境中溶液的渗透腐蚀引发的剥离缺陷或由于材料老化
．２０．
污形，
１２３４５１
２３
４
第２章防腐层剥离原因解析及评价模型研究
每一层评价因子集隶属度矩阵根据低一级层次的隶属度矩阵与权重向量做乘法算子得到，因此底级别的隶属度矩阵和权重向量的合理性与否对于较高一级评价因子集的隶属度矩阵影响很大。

（５）权重向量Ａ权重向量也通过专家估测确定，设因素集泸｛“，，Ｕ２，…，Ｕ３），现有ｋ个专家各自独立地给出各因素ｕｉ（ｉ＝１，２，…，，ｚ）的权重，根据统计表统计结果得到权重。

表２．２模糊评价因子权重分配统计卡
Ｔａｂｌｅ２－２ｓｔａｔｉｓｔｉｃａｌｃａｒｄｏｆｆｕｚｚｙｅｖａｌｕａｔｉｏｎｆａｃｔｏｒｗｅｉｇｈｔｓａｓｓｉｇｎａｔｉｏｎ
以集合Ｃｌ为例，对Ｃ１的五个子因素的权重比进行分配。

如上图所示，分别让ｋ个专家的填写集合Ｃｌ内每个因子的权重比分配一１）ｋ，口，则对同一个因素集
ｋ智删
和的不同因子的权重之和为１，将同一因子（第ｉ个因子）的不同专家的权重打分做算术平均运算得出的数字三争ａ为该因子的权重口，。

因此，评价因子集合ｃ·ｎ
ｋ爿’
的评价权重向量为（口Ｊ，ａ２，ａ３，ａ４，ａ５），即
４。

＝ｃ去喜％毒害％，主喜～｛喜～，圭喜％，。

相同的方法，确定每个评价因子集合的权重向量。

本评价系统需要确定集合Ｃ级别８个、Ｂ级别４个和Ａ级别１个共１３个权重向量。

对应集合Ｃ级权重向量分别记为Ａｃｌ、Ａｃ２、ＡＣ６、Ａｃ７、Ａｃｌｌ、Ａｃｌ２、Ａｃｌ３、Ａｃｌ４；其中Ｃ４、Ｃ５、Ｃ８、Ｃ９、Ｃ１０为单因素集合，权重大小分别为ａｃ３、ａｃ４、ａｃ５、ａｃ８、ａｃ９、ａｃｌ０；Ｂ级集合权重向量记为么Ｂｌ、么Ｂ２（彳Ｂ２＝（口ｃ３，ａｃ４，ａｃ５））、彳Ｂ３、么Ｂ４，顶级目标集合Ａ权重向量记为彳Ａ。

（６）相关计算３ＬＰＥ防腐层剥离因子评价系统为一个三级模型，隶属度矩阵Ｒ与集合权重向量彳的乘法算子得到的结果为对应级别的评价结果Ｂ，则该一级别的评价结果Ｂ作为高一级的隶属度矩阵∥参与下一级的运算。

总之，综合
第２章防腐层剥离原因解析及评价模型研究
评价的综合评价结论。

基于模糊数学的防腐层（包括３ＬＰＥ）剥离预测评估系统是初次提出，实际应用时需要采集庞大的数据，目前缺乏涉及到全面的管线调查、维护、行业专家咨询结果等多年积累数据（数据用于各个参数赋值），暂不能通过某条管线得到具体的算例。

一旦资料成熟，防腐层剥离预测对于管道工程的维护就起到十分有意义的作用。

２．５本章小结
本章主要深化对防腐层的剥离认识，针对埋地管道防腐层（包括３ＬＰＥ）剥离定义做了解释，从力学的角度上推算演示防腐层剥离过程模型并得到各应力的随位置变化关系。

另外，针对课题的研究核心内容３ＬＰＥ防腐层剥离原因进行了解析，并以此作为基础讨论了防腐层剥离预测评价理论模型。

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破坏粘结性的外力Ｎ，该处防腐层与基材之间的粘结力为抵制防腐层剥离的外力Ｆ（见图３．２）。

二者保持受力平衡（测力计缓慢拉起防腐层），即Ｎ＝Ｆ，单位是牛顿。

由于拉起的防腐层具有宽度，测得数据单位为Ｎ／ｃｍ，定义为剥离强度。

正在发
防腐层
钢质基材
图３－２防腐层剥离测量原理
Ｆｉｇ．３—２Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｏｆｃｏａｔｉｎｇｐｅｅｌｉｎｇｍｅａｓｕｒｉｎｇ
（２）剥离强度测量试验平台实验室采取自制试验台作为测量工具。

图３－３防腐层剥离测试平台
Ｆｉｇ．３－３Ｔｈｅｐｌａｔｆｏｒｍｏｆｃｏａｔｉｎｇｐｅｅｌｉｎｇｍｅａｓｕｒｉｎｇ
如图３．３为实验使用的手动剥离测试平台，用于测量防腐层剥离强度，主体结构分为测力计部分和升降台架部分。

其中，测力计量程为５００Ｎ，使用时一端用于连接防腐层翘起端，另一端钩住升降台架；固定防腐层管道基材，摇动台架手柄使台架缓慢稳定上升（速度约１０ｍｍ／ｍｉｎ），视力垂直于测力管读取数值，即防腐层剥离力Ⅳ。

则防腐层剥离强度马，圳２，单位为牛顿／厘米（Ｎ／ｃｍ）。

３．１．２剥离距离测量
研究防腐层阴极剥离性能时，通常用剥离距离来度量抗剥离能力。

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图中，内径为，．、外径为Ｒ。

为简化分析，体系的变温过程看做弹性体均匀降温过程。

设各弹性体内各点的温度变化为厶ｒ，圆筒的轴对称温度平面热应力分量可表示为：
矿‘１－Ｅｖ２，（ｅｐ＋ｖｅｅ、）Ｅ１必－ｖ；（３＿１）
％２爵（毛＋％）一Ｔ了
Ｅ，、Ｅ必丁、。

１按位移求解轴对称热应力基本方程：
磐＋吉等～歹Ｕｐ－（１川口石ｄＴ（３－２）
无限长圆筒应力主要由径向和环向约束及变温引起，各向应力分量分别为：％２南（为ｒ△即妒ｒ△ｒ∥ｐ）
％２ｉｉＥＩｇ莎‘Ｌ．瓦ｐ２＋≯ｒ２ｒ△冽ｐ＋ｒＡＴｐｄｐ－Ａ即２）（３—３）
ｔ＝而Ｅｃｔ（．而２７ｒ△即ｄｐ－ＡＴ）
式中％、％、仃：——圆筒面上距离圆心半径为Ｐ的某一点处各向（径向、环向
及轴向）热应力分量：
乞、岛——径向、环向上应变量；
％——径向位移；
ｖ——材料泊松比；
口——温度引起的材料线膨胀系数
３．４．１．２管道一防腐层各结合界面应力分析
取粘结界面某微小单元（如图３－１１），微元体的每个面受到三个方向上的应力（一个正应力，两个平行于面的切应力）。

图３－１１圆筒结构一点微元体及二维微单位
Ｆｉｇ．３－１１Ｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅｅｌｅｍｅｎｔａｎｄｔｗｏ．ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｍｉｃｒｏ．ｕｎｉｔｓ。